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复合材料的增强纤维类型解读

发表时间:2023-12-09 16:38:04  作者:超级管理员 阅读数:263

  增强纤维在复合材料中,能够给树脂体系带来更好的性能优势以及特殊的性能表现,不同的增强纤维能够带来不同的性能表现,这里我们就给大家带来有关于复合材料中增强纤维知识点。

  纤维增强方式,在纤维增强中,也有很多种纤维的增强方式,比如常见的有缠绕、编织以及单向,这里面不同的纤维取向都都不同的特点,不同的织物结构和类型都有不同的性能表现,后面有机会我们说这方面的知识。本文我们还是围绕纤维类型来看。

  玻璃纤维

玻璃纤维.jpg

  玻璃纤维是从沙石中提炼出来,液体经过非常细的套管然后冷却生产出直径只有5-24m的玻璃纤维,具有抗拉抗压高刚度的性能优势,绝缘性也好因此多是被应用到绝缘产品上面,但是抗冲击性能较低。

  玻璃纤维有束丝、纱线、粗纱的四种类型,束丝商业应用比较少,大部分都是纱线类型。纱线是紧密相连的细玻璃纤维,每根纤维直径在4-13mm之间,主要是用TEX(1000米长的重量单位)和denier(10000码的重量单位)来区分,常见的就是TEX,范围在5-400之间。粗纱是松散相连的玻璃纤维,每根纤维细丝直径在13-24mm之间。

玻璃纤维图.jpg

  玻璃纤维的国际的工人术语是E = Electrical/电气的,C = Continuous/连续的,Z = Clockwise/顺时针的,S = High Strength /高强度的,S = Anti- clockwise/逆时针的方式表示。

  碳纤维

碳纤维丝.jpg

  碳纤维是通过氧化、碳化、石墨化富含碳元素的有机前驱体制作而成的纤维,现在应用最多的前驱体是聚丙烯腈(PAN),相比较沥青或者纤维素提炼的碳纤维,性能优势会更高。

  碳纤维的性能跟石墨化工艺有很大关系,高强度高模量碳纤维需要更高的石墨化温度下才能提炼出更为精纯的碳纤维。碳纤维制作完成后还需要表面处理,也就是常说的上浆过程,更好的保护纤维。上浆的好坏也直接影响到碳纤维作为增强后的性能表现。

  碳纤维的强度和模量都要远高于众多的增强纤维,我们可以参考下面这个聚丙烯腈基碳纤维的表。碳纤维除了具备高强度高模量之外,还具有非常高的抗腐蚀性、抗蠕变以及抗疲劳性,使得它在众多高性能领域中得到非常广泛的应用。从上个世纪60年代开始,反正到今天,低模量的碳纤维产品已经走进我们生活,不在不可触摸的产品。

  碳纤维通常被标注:高强度(HS),中等模量(IM),高模量(HM)和超高模量(UHM)这样的方式来区分碳纤维性能。

  商用聚丙烯腈基碳纤维的强度和模量

碳纤维图.jpg

  芳纶纤维

凯夫拉.jpg

  芳纶纤维也是比较常见的增强纤维,芳纶纤维是人造有机聚合物(芳香族聚酰胺)通过液态化学共混物然后纺丝获得固体芳纶纤维的方式,芳纶纤维是金黄色细丝,也是具有高强度、低密度高比强度的性能,还具备非常优异的抗冲击性。因此芳纶纤维多是被应用到了弹道、防弹领域中。

  芳纶纤维也是很多人说到的凯夫拉,业内比较有知名度的就是美国杜邦公司的“Kevlar”以及阿克苏诺贝尔公司的“Twaron”,这种芳纶类型中,主要就是跟芳纶模数以及表面光洁度不同组合的分类,来应对不同的性能需求的应用。芳纶纤维大部分都是粗纱的形式,芳纶纤维还具有不错的耐磨性以及耐化学耐热降解的性能优势。

  不同的纤维都有不同于的优点和缺点,也就有了不同领域中的应用的情况,下面也有关于不同纤维类型在不同应用中的得分情况。“A”表示纤维得分较高的特征,“C”表示纤维得分较低的特征。

纤维类型对比.jpg

  除了上面这三种被应用特别多的增强纤维之外,还有其他多种增强纤维,但是应用的就没有那么广泛,这里面包括:

  石英纤维

  石英纤维是一种非常高的硅玻璃,具有更高的机械性能和优异的耐高温性能(1000℃+)。但是它的制作工艺比较复杂,并且其产量比较多,所以石英纤维的价格比较高,应用的就不是很多。

  硼纤维

  碳纤维或金属纤维涂上一层硼,以改善纤维的整体性能。这种纤维的极高成本限制了它在高温航空航天应用和专门的运动设备中的应用。在环氧树脂基体中,由碳纤维分散在80-100mm硼纤维中组成的硼/碳复合材料,其抗弯强度和刚度是HS碳纤维的两倍,硼的1.4倍,抗剪强度超过任何一种纤维。

  陶瓷纤维

  陶瓷纤维通常以非常短的“晶须”形式主要用于需要耐高温的领域。它们更常与非聚合物基质如金属合金相结合。

  聚酯纤维

  一种低密度、高强度纤维,具有良好的抗冲击性,但模量低。它缺乏刚度,通常排除在复合材料组件,但它是有用的低重量,高冲击或耐磨性,和低成本的要求。它主要用作表面材料,因为它可以非常光滑,保持重量下降,并与大多数树脂类型合作良好。

  在复合材料中,这些增强纤维提供了更高的强度性能,但是整个的性能也是跟多方面有关系,主要有纤维本身的性能、纤维跟树脂的粘合(界面)、纤维体积含量、纤维取向等多方面有关系,这个后续再给大家来一一解读。


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